7Ве (период полураспада, Т½ = 53 дня) – естественный радионуклид космогенного происхождения. Он образуется в ядерных реакциях на азоте, кислороде и углероде в верхних слоях атмосферы. В приземный слой воздуха, в почву и растительность 7Ве попадает в результате перемешивания воздушных масс и вымывания осадками. 7Ве при радиоактивном превращении (двойной К-захват) образует стабильный изотоп 7Li.
Образование и поведение 7Ве в приземной атмосфере связано с солнечной активностью и метеопараметрами региона исследований. В поведении 7Ве отмечается наличие максимума в весенне-летний период и минимума – в осенне-зимний [2, 3]. Длительные измерения объемной активности 7Ве в приземном слое воздуха показывают наличие обратной зависимости с солнечной активностью (числами Вольфа) [4, 5].
В целом объемная активность 7Ве варьируется в широких пределах − от 42 до 10 мБк/м3 [1-5]. В настоящее время выявлены зависимости содержания данного радионуклида от температуры воздуха и количества осадков [1, 3].
7Be используется в качестве трассера при изучении и описании различных экологических и метеорологических процессов, таких как перенос и осаждение атмосферных аэрозолей, а также для оценки их времени жизни.
В связи с этим для изучения процессов переноса данного радионуклида в приземной атмосфере необходимо проведение комплексных исследований, связанных с установлением зависимостей объемной активности (ОА) 7Be от солнечной активности (числа Вольфа) и основных метеопараметров.
Материалы и методы исследования
Для отбора проб дисперсной фазы атмосферных аэрозолей и осадков в Лаборатории радиоэкологических исследований НИИ физики Южного федерального университета в 2000 году введена в эксплуатацию фильтровентиляционная установка (ФВУ). Атмосферные аэрозоли отбирали на фильтр из ткани Петрянова ФПП-15-1.7 общей площадью 0,56 м3. Реальное (чистое) время экспозиции каждой пробы, определяемое электронным хронометром, составляет 168 часов. Расход воздуха ФВУ составляет около 510–630 м3/ч. В целом за 2001–2011 гг. было отобрано более 500 проб атмосферных аэрозолей.
Для оценки удельной активности 7Ве в атмосферных аэрозолях использовали радиометрическую низкофоновую установку на основе коаксиального полупроводникового детектора из особо чистого германия (GeНР) с эффективностью 25 % в диапазоне 13–1500 кэВ, отношением пик/комптон 51.7:1.
7Ве определяли по пику с энергией 477 кэВ. По разности весов экспонированного и чистого фильтра определяется запыленность воздуха Р0 = Р/V (мкг/м3).
Результаты исследования и их обсуждение
В результате непрерывных измерений ОА 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону за период 2001–2011 гг. установлено, что его содержание в атмосферных аэрозолях варьируется в пределах от 0,025 до 27,0 мБк/м3 при среднем содержании за все время наблюдений 5,107 мБк/м3 (рис. 1). В основном большинство измеренных значений содержания 7Ве попадает в диапазон 3–7 мБк/м3, что согласуется с полученными данными для умеренных широт (40–50° СШ) [2, 5].
Рис. 1. Частота распределений объемной активности 7Ве (мБк/м3) в приземной атмосфере г. Ростова-на-Дону
В сезонном ходе 7Ве в атмосфере г. Ростова-на-Дону также имеют место максимум в весенне-летний период и минимум – в осенне-зимний. Подобное поведение объемной активности 7Ве связано с весенне-летней перестройкой атмосферы (из-за наличия между стратосферой и тропосферой слоя мощной температурной инверсии) и началом вегетационного периода (рис. 2).
В сезонном поведении 7Ве (см. рис. 2) в 2001–2011 гг явно выраженные максимумы объемной активности приходятся в основном на июль. Максимальные среднемесячные значения содержания 7Ве зафиксированы в 2009 г. (июль) – 19,5 мБк/м3, а минимум в 2001 г. (февраль) – 1,51 мБк/м3.
Локально-временные изменения концентрации 7Ве связаны с сочетанием солнечной активности и различных метеопараметров (количество осадков, влажность, температура воздуха) в г. Ростове-на-Дону.
Изучение зависимости сезонного поведения объемной активности 7Ве в приземном слое воздуха от количества осадков г. Ростова-на-Дону (по данным Гидрометцетра России) показало, что в большинстве случаев максимумы содержания 7Ве приходятся на минимум количества осадков, что свидетельствует о вымывании радиоактивных аэрозолей из атмосферы осадками (рис. 3).
Рис. 2. Сезонное поведение ОА 7Ве в приземной атмосфере г. Ростова-на-Дону
Рис. 3. Сезонное поведение объемной активности 7Ве и количества осадков
Исследования радиоактивности приземной атмосферы г. Ростова-на-Дону охватывают вторую половину 23-го (2001–2007 гг.) и первую половину 24-го (2007–2011 гг.) солнечных циклов.
Полученные данные (таблица) подтверждают обратную зависимость среднегодовой ОА 7Ве от солнечной активности. На максимум чисел Вольфа (111,0) приходится минимум содержания 7Ве (3,2 мБк/м3).
Результаты проведенных исследований согласуются с длительными измерениями содержания 7Ве в приземной атмосфере ряда стран Европы [1–5].
Детальное (среднемесячное) поведение ОА 7Ве и чисел Вольфа также демонстрирует их обратную зависимость (рис. 4). При этом явные солнечные вспышки (например, в 2003 г.) не сказываются на годовом поведении 7Ве в атмосфере, что, по-видимому, связано с дополнительным совокупным влиянием метеопараметров и времени года на сезонное распределение данного радионуклида.
Выводы
Таким образом, в результате проведенных исследований сезонного поведения 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону в период 2001–2011 гг. выявлены зависимости его объемной активности от относительного числа солнечных пятен и количества выпавших осадков. Анализ подобных результатов показывает, что для детальной оценки и интерпретации годового распределения 7Ве в атмосферных аэрозолях необходим комплексный учет взаимного влияния солнечной активности и метеорологических факторов. Полученные данные являются характерными для средних широт и умеренно-континентального климата.
Динамика изменения среднегодовой ОА 7Ве в г. Ростов-на-Дону за 2001–2011 гг.
|
Год |
Среднегодовая ОА 7Ве, мБк/м3 |
Числа Вольфа (W) |
|
2001 |
3,2 |
111,0 |
|
2002 |
4,0 |
104,0 |
|
2003 |
4,5 |
63,7 |
|
2004 |
4,2 |
40,4 |
|
2005 |
4,9 |
29,8 |
|
2006 |
6,9 |
15,2 |
|
2007 |
5,9 |
7,5 |
|
2008 |
7,9 |
2,9 |
|
2009 |
8,3 |
3,1 |
|
2010 |
7,7 |
16,5 |
|
2011 |
7,5 |
55,7 |
Рис. 4. Сезонное поведение 7Ве и чисел Вольфа в приземной атмосфере г. Ростова-на-Дону
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (№ 14.А18.21.0633).
Рецензенты:
Цветянский А.Л., д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры общей физики физического факультета Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону;
Бугаев Л.А., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой теоретической и вычислительной физики физического факультета Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону.
Работа поступила в редакцию 26.11.2012.